JP2010027863A - 窒化物半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化物半導体レーザ装置を高出力動作時の長期信頼性を得られるようにする。
【解決手段】窒化物半導体レーザ装置は、発光層である多重量子井戸活性層１６を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する出射端面１００ａ及び反射端面１００ｂを有する積層構造体１００と、各端面に形成された誘電体からなる複数の保護膜とを有している。複数の保護膜のうち、反射端面１００ａと接する第１の保護膜４０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなり、第１の保護膜４０における反射端面１００ａと反対側の面上に形成された第２の保護膜４２は、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、第２の保護膜４２における第１の保護膜４０と反対側の面上に形成された第３の保護膜４４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物半導体レーザ装置に関し、特に、共振器端面に保護膜を設けた窒化物半導体レーザ装置に関する。

近年、半導体レーザ装置に対する高出力化の要望が強まり、その耐光技術が半導体レーザ装置の性能を保証する重要な要因となっている。

例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を始めとするIII-Ｖ族窒化物半導体材料（Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））を用いて製造される青紫色半導体レーザ装置は、光ディスク装置による超高密度記録を実現するための主要なデバイスであり、現在、実用レベルに達しつつある。青紫色半導体レーザ装置の高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイ装置への応用等、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。

近年、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）系半導体材料を用いる赤外及び赤色半導体レーザ装置においては、共振器端面の近傍の活性層に不純物を選択的に拡散させることにより、活性層の禁制帯幅（バンドギャップエネルギー）を端面付近でのみ拡大して、該端面における光吸収及び発熱を低減する端面窓構造が採用され、これにより、高出力及び高信頼化が実現されている。

一方、ＧａＮ系半導体材料においては、不純物拡散による端面窓構造の形成が容易ではないため、共振器端面に形成する誘電体からなる端面保護膜（コート膜）が極めて重要となる。

半導体レーザ装置に端面保護膜を形成するには、端面ダメージが小さい電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）スパッタリング装置を用いて、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を堆積する試みが、例えば特許文献１等に記載されている。

また、ＧａＮ系半導体レーザ装置の端面において、該端面と接する第１の保護膜にＡｌＮを用い、続く第２の保護膜に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることにより、ＧａＮの端面の酸化を抑制して端面の劣化を防止する試みが、例えば特許文献２等に記載されている。

また、ＧａＮ系半導体レーザ装置の共振器端面と接する第１の保護膜にＡｌＮ又は酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）を用い、続く第２の保護膜に酸化物からなる反射率調整層を用いることにより、高い光学的損傷（Catastrophic Optical Damage：ＣＯＤ）レベルを維持し、且つ出射端面の反射率を高める試みが、例えば特許文献３等に記載されている。

さらには、ＧａＮ系半導体レーザ装置の端面保護膜に吸湿防止層（窒化シリコン／窒化チタン）を含めることにより、外気からの水分拡散を抑制して端面の劣化を防止する試みが、例えば特許文献４等に記載されている。
特開平９−１９４２０４号公報 特開２００７−１０３８１４号公報 特開２００７−３１８０８８号公報 特開２００７−３２４１９３号公報

ところで、ＧａＮ系半導体レーザ装置を高出力で安定して動作させるには、共振器端面の酸化を抑制し、且つ高い光出力に耐え得る安定な端面保護膜を形成する必要がある。

本願出願人らは、端面保護膜について鋭意検討を重ねた結果、該端面保護膜の形成時に共振器端面を極力酸化させないこと、さらには、半導体レーザ装置の動作中に生じる酸素拡散による端面の酸化を抑制することが、高出力下での安定した動作に大きく寄与し、これが高信頼化を実現するのに極めて重要であることを見出した。

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術は、ＡｌＮからなる保護膜を共振器端面と接する第１の保護膜としてＥＣＲ装置により形成することは記述されているものの、第１の保護膜に続く第２の保護膜以降の構成については特別な示唆はない。

また、特許文献２及び特許文献３に記載されている従来技術は、共振器端面と接する第１の保護膜をＡｌＮ膜とすることにより端面の発熱による第１の保護膜の変質は防止できるものの、続く第２の保護膜にＡｌ_２Ｏ_３膜を用いているため、高出力動作により第２の保護膜が局所的に変質してしまい、端面反射率の変化及び第１の保護膜との構成原子の相互拡散が促進されて、レーザ動作が不安定となって劣化を早めることになる。

さらに、特許文献４に記載された従来技術は、吸湿防止層が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と異なる窒化膜であるＳｉＮ／ＴｉＮで構成されることにより放熱性が悪化し、保護膜が劣化すると共に共振器端面の劣化が進行するおそれがある。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、その目的は、窒化物半導体レーザ装置を高出力動作時の長期信頼性を得られるようにすることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体レーザ装置を、２層の窒化アルミニウムからなる端面保護膜の間に窒化アルミニウムと異なる誘電体膜を設ける構成とする。

具体的に、本発明に係る第１の窒化物半導体レーザ装置は、発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面を有する積層構造体と、共振器端面に形成された誘電体からなる複数の保護膜とを備え、複数の保護膜のうち、共振器端面と接する第１の保護膜は窒化アルミニウムからなり、第１の保護膜における共振器端面と反対側の面上に形成された第２の保護膜は、第１の保護膜と異なる材料からなり、第２の保護膜における第１の保護膜と反対側の面上に形成された第３の保護膜は、第１の保護膜と同一の材料からなることを特徴とする。

第１の窒化物半導体レーザ装置によると、複数の保護膜のうち、共振器端面と接する第１の保護膜は窒化アルミニウムからなり、第１の保護膜における共振器端面と反対側の面上に形成された第２の保護膜は第１の保護膜と異なる材料からなり、第２の保護膜における第１の保護膜と反対側の面上に形成された第３の保護膜は第１の保護膜と同一の材料からなる。すなわち、熱伝導性が高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に前後から挟まれたＡｌＮとは異なる第２の保護膜は、局所的な発熱が迅速に放熱されるため、第２の保護膜には変質が生じることがない。これにより、高出力動作時の長期信頼性を得ることができる。

第１の窒化物半導体レーザ装置において、第１の保護膜及び第３の保護膜はシリコンを含み、第１の保護膜のシリコンの濃度は第３の保護膜のシリコンの濃度よりも高いことが好ましい。

第１の窒化物半導体レーザ装置において、複数の保護膜は、第３の保護膜における第２の保護膜と反対側の面上に形成された第４の保護膜を有し、第４の保護膜はアルミニウムの酸化物又は酸窒化物からなることが好ましい。

第１の窒化物半導体レーザ装置において、複数の保護膜は、第４の保護膜における第３の保護膜と反対側の面上に形成された第５の保護膜を有し、第５の保護膜は、第１の保護膜と同一の材料からなることが好ましい。

第１の窒化物半導体レーザ装置において、第２の保護膜は、アルミニウムの酸化物若しくは酸窒化物又はシリコンの酸化物若しくは酸窒化物からなることが好ましい。

本発明に係る第２の窒化物半導体レーザ装置は、発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面を有する積層構造体と、共振器端面に形成された誘電体からなる３層以上の保護膜とを備え、複数の保護膜のうち、共振器端面と接する第１の保護膜と、外気と触れる外側の第２の保護膜とは、窒化アルミニウムからなることを特徴とする。

第２の窒化物半導体レーザ装置によると、複数の保護膜のうち、共振器端面と接する第１の保護膜と、外気と触れる外側の第２の保護膜とは窒化アルミニウムからなるため、熱伝導性が高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に前後から挟まれたＡｌＮとは異なる他の保護膜は、局所的な発熱が迅速に放熱されるため、他の保護膜には変質が生じることがない。これにより、高出力動作時の長期信頼性を得ることができる。

本発明に係る窒化物半導体レーザ装置によると、高出力動作時における長期信頼性が大幅に改善することができる。

本願発明者らは、窒化物半導体レーザ装置において、特に高出力動作の長期信頼性を保証すべく量産レベルで鋭意検討した結果、前述したように、端面保護膜の形成時にレーザの共振器端面を極力酸化させないことと、レーザの動作中の酸素拡散による端面の酸化を抑制することにより長期信頼性を実現できることを見出し、本発明に到った。

以下、本発明に係る窒化物半導体レーザ装置の製造方法の概略を説明する。

まず、本発明においては、窒化物半導体からなる基板の主面（例えば、Ｇａ面）上に、エピタキシャル成長技術を用いた公知の半導体成長法により、窒化物半導体からなる積層構造体を形成する。

積層構造体はｐ型領域及びｎ型領域を含み、さらに、半導体レーザ装置を構成する積層構造体は、ダブルへテロ構造と光及び電流を所定の空間内に閉じ込める構造とを含む。

基板の主面側においては、積層構造体中のｐ型領域と電気的に接続されるｐ側電極を形成し、基板の裏面にはｎ側電極を形成する。

好ましい実施形態において、ｐ側電極は、積層構造体中のｐ型領域と接する部分を有するコンタクト電極及び該コンタクト電極に電流を供給する配線電極により構成されている。コンタクト電極は、積層構造体の上に形成された絶縁膜により部分的にｐ型領域と接しており、電流が絶縁膜により狭窄された状態で積層構造体に注入され、注入された電流の電流密度を増大させることによりレーザ発振を生じやすいように構成される。

レーザ発振を生じさせるには、光を増幅する共振器が必要であり、例えば基板を含む積層構造体を劈開することにより互いに対向する共振器端面を形成する。

好ましい実施形態において、共振器端面は誘電体からなる保護膜によって覆われ、該共振器端面の外気暴露を防止し、且つ端面の反射率を任意に調整できるように構成される。

本願発明者らの実験によると、上記の構成において、共振器端面と接する第１の保護膜を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とし、該第１の保護膜の上に形成される第２の保護膜を酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）とし、続く第３の保護膜を第１の保護膜と同一のＡｌＮとすることにより、共振器端面の酸化が大幅に抑制され、端面劣化を防止できることが分かっている。

上記の構成を実施すると、高出力動作を長期に保証するＧａＮ系半導体レーザ装置において、歩留りが大幅に改善されて、低コストでの量産が可能となる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係るＧａＮ系半導体レーザ装置の共振器端面に平行な方向の断面構成を模式的に示している。

第１の実施形態に係る半導体レーザ装置は、ｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）が約１×１０^１８ｃｍ^−３程度にドープされた、厚さが約８０ｎｍのｎ型ＧａＮからなるｎ型基板１０と、該ｎ型基板１０の主面（Ｇａ面）上に形成されたＧａＮ系半導体からなる積層構造体１００とを備えている。

積層構造体１００は、ｎ型基板１０の上に順次エピタキシャル成長した、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１２、ｎ型ＧａＮからなる光ガイド層１４、ＩｎＧａＮからなる多重量子井戸活性層（発光層）１６、ＩｎＧａＮからなる中間層１８、ｐ型ＡｌＧａＮからなるキャップ層２０、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層２２、及びｐ型ＧａＮからなるコンタクト層２４を含む。

［表１］に積層構造体１００に含まれる各半導体層の不純物濃度（ドーパント濃度）及び厚さを示す。

なお、［表１］に示す不純物、不純物濃度及び各半導体層の厚さは、一例に過ぎず、本発明はこれに限定されない。また、中間層１８はＩｎ組成がそれぞれに異なる多重層としてもよく、この場合、好ましくは活性層に近い方がＩｎ組成が大きくなるように配置する。

積層構造体１００において、コンタクト層２４及びｐ型クラッド層２２の上部は、共振器長方向に沿って延びるリッジストライプ状に加工されている。リッジストライプの幅は、例えば１．４μｍ程度であり、共振器長は例えば８００μｍである。また、チップ幅（共振器に対して垂直な方向の幅）は、例えば１５０μｍである。

積層構造体１００の上面のうち、リッジストライプの上面を除く部分は、絶縁膜３０によって被覆されており、該絶縁膜３０には、リッジストライプの上面、すなわちコンタクト層２４を露出するストライプ状の開口部が形成されている。

リッジストライプの上面及び側面はｐ側コンタクト電極３２に被覆されており、これにより、コンタクト層２４の上面は、絶縁膜３０の開口部を介してｐ側コンタクト電極３２と接続されている。さらに、ｐ側コンタクト電極３２及び絶縁膜３０の上面を覆うようにｐ側配線電極（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）３４が形成されている。ここで、例えば、ｐ側コンタクト電極３２はパラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）との積層膜からなり、ｐ側配線電極３４はチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）の積層膜により構成される。

ｎ型基板１０における積層構造体１００と反対側の面（裏面）上には、例えばチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）からなるｎ側電極が形成されている。

以下、本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置を製造する方法の好ましい実施形態を説明する。

まず、公知の方法で作製されたｎ型ＧａＮからなるｎ型基板１０を用意する。ｎ型基板１０の厚さは例えば３００μｍ程度であり、その主面は研磨加工により平坦化されている。

次に、ｎ型基板１０の主面上に積層構造体１００を形成する。

まず、ｎ型基板１０を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）装置のチャンバに投入する。その後、ｎ型基板１０の主面に対して、温度が５００℃から１１００℃程度の熱処理（サーマルクリーニング）を施す。この熱処理は、例えば８００℃で１分間以上、望ましくは５分間以上行う。熱処理中は、窒素原子（Ｎ）を含むガス（例えば、窒素（Ｎ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）又はヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）等）をチャンバ内に流すことが好ましい。

続いて、チャンバ内の温度を約１０００℃に制御し、ｎ型基板１０の上に、原料ガスとして、Ｇａ源のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びＡｌ源のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）並びにＮ源のアンモニア（ＮＨ_３）ガスと、キャリアガスである水素（Ｈ_２）及び窒素（Ｎ_２）とを供給する。さらに、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ_４）ガスを供給することにより、厚さが約２．５μｍでＳｉの不純物濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３のＡｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなるｎ型クラッド層１２を成長する。その後、ｎ型クラッド層１２の上に、厚さが約１６０ｎｍでＳｉ不純物濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３のｎ型ＧａＮからなる光ガイド層１４を成長した後、成長温度を約８００℃にまで降温し、キャリアガスを水素から窒素に変更して、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＴＭＧとを供給することにより、膜厚が約６ｎｍのＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなる量子井戸（２層）と膜厚が約１２ｎｍのＩｎ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎからなるバリア層（１層）とにより構成された多重量子井戸活性層１６を成長する。その後、多重量子井戸活性層１６の上にＩｎ_０．０１Ｇａ_０．９９Ｎからなる中間層１８を成長する。該中間層１８は、その上に形成するｐ型の半導体層から多重量子井戸活性層１６へのｐ型ドーパント（Ｍｇ）の拡散を大幅に抑制し、結晶成長の後も多重量子井戸活性層１６を高品質に維持することができる。

次に、チャンバ内の温度を再び約１０００℃にまで昇温し、キャリアガスに水素も導入して、ｐ型ドーパントであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）ガスを供給しながら、中間層１８の上に膜厚が約１５ｎｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型Ａｌ_０．２０Ｇａ_０．８０Ｎからなるキャップ層２０を成長する。

次に、キャップ層２０の上に、厚さが約０．５μｍでＭｇの不純物濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３のｐ型Ａｌ_０．０４Ｇａ_０．９６Ｎからなるｐ型クラッド層２２を成長する。続いて、ｐ型クラッド層２２の上に、厚さが約０．１μｍでＭｇ不純物濃度が約１×１０^２０ｃｍ^−３のｐ型ＧａＮコンタクト層２４を成長する。以上により、複数のＧａＮ系半導体からなる積層構造体１００を得る。

次に、積層構造体１００の上面にｐ側コンタクト電極３２を形成する工程を説明する。

まず、積層構造体の上面にプラズマＣＶＤ装置等によりマスク形成膜（図示せず）を堆積する。マスク形成膜は積層構造体１００に対するドライエッチング時のマスクとなるように、ＳｉＯ_２等の耐ドライエッチング性が高い材料を選ぶ。その後、リソグラフィ法及びフッ酸（ＨＦ）を用いたウエットエッチングにより、マスク形成膜を幅が１．４μｍのストライプ状に加工してマスク膜を形成する。続いて、形成されたストライプ状のマスク膜を用いて、ドライエッチング装置により、コンタクト層２４及びｐ型クラッド層２２の上部をリッジ状に加工する。その後、フッ酸によりマスク膜を除去する。

次に、リッジ状に形成された積層構造体１００の上に絶縁膜３０を堆積し、リソグラフィ法及びフッ酸によるウエットエッチングにより、絶縁膜３０におけるリッジの上側部分のみを除去する。このとき、絶縁膜３０として積層構造体１００の露出面と接する下部には絶縁性が高いＳｉＯ_２を用い、その上部にはレーザ光に対して光吸収作用を有する二酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び窒化チタン（ＴｉＮ）等の積層膜を用いてもよい。このような積層構造を持つ絶縁膜３０によると、電気的絶縁の向上により無効電流が抑制されることによる注入電流の低閾値化が図られると共に、遠視野像(far field pattern：ＦＦＰ）、特に基板面に平行な方向の遠視野像の形状が改善される。

この後、リソグラフィ法とレジストのリフトオフ法により、リッジの上面、側面及びリッジの側方にＰｄ及びＰｔを順次蒸着してｐ側コンタクト電極３２を選択的に形成する。続いて、ｐ側コンタクト電極３２と絶縁膜３０を覆うように、Ｔｉ、Ｐｔ及びＡｕを順次蒸着してｐ側配線電極３４を形成する。

次に、ボールボンダ装置等により、電流供給用の金（Ａｕ）からなるワイヤ（図示せず）をｐ側配線電極３４の上に接続する。なお、ワイヤのｐ側配線電極３４との接続位置をｐ側配線電極３４におけるリッジの側方の領域とすることにより、ボールボンダ装置によるワイヤの接続時のダメージが、積層構造体１００への実質的な電流供給路であるリッジの上部に直接に導入されることがない。従って、多重量子井戸活性層１６が受けるダメージも少なくなるので、信頼性に優れた半導体レーザ装置を製造することが可能となる。

次に、ｎ型基板１０の裏面を研磨して、ｎ型基板１０の厚さを８０μｍ程度にまで薄膜化する。

続いて、ウエットエッチング又はドライエッチング等により、ｎ型基板１０の研磨面をクリーニングし、その後、クリーニングされたｎ型基板１０の裏面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの各金属膜を基板側から順次堆積してｎ側電極３６を形成する。さらに、形成されたｎ側電極３６におけるｎ型基板１０の劈開（一次劈開及び二次劈開）領域上に位置する最上層のＡｕ膜のみをウエットエッチングによって選択的に除去する。これは、劈開工程において、Ａｕ膜を残存しておくと、Ａｕ膜はその粘性が高く良好な劈開を得にくいため、Ａｕ膜を選択的に除去した領域で一次劈開及び二次劈開を行うことにより、劈開歩留まりを改善できるからである。その後、スクライブ装置及びブレーキング装置を用いて、ｎ型基板１０のＧａＮのＭ面に沿って一次劈開を行って共振器端面を形成する。

次に、形成された共振器端面に端面保護膜を形成する。

すなわち、一次劈開されたレーザバーをＥＣＲ装置に搬入し、真空排気した後、共振器端面に誘電体からなる端面保護膜を堆積する。ここで、ＥＣＲ装置において、端面保護膜を形成する前に、共振器端面の汚染物質を除去する清浄化処理として、アルゴン（Ａｒ）ガスからなるプラズマクリーニングを実施するとよい。なお、プラズマクリーニングはＡｒガスのみではなく、Ａｒガスと窒素（Ｎ_２）ガスとの混合ガスにより実施してもよい。

以下、本発明に係る出射端面側の端面保護膜の形成方法の詳細を図２を参照しながら説明する。図２は共振器長方向に平行な方向の断面であり、また、簡便のため絶縁膜３０及び各電極等は省略している。

図２に示すように、出射端面１００ａに前述のＥＣＲプラズマクリーニングを行った後、ターゲット室において、ＡｒガスとＮ_２ガスとを導入してプラズマを発生させ、アルミニウム（Ａｌ）からなるターゲット材に所定のバイアス電圧を印加することにより、出射端面１００ａと接する第１の保護膜４０として膜厚が約６ｎｍのＡｌＮ膜を堆積する。

次に、ターゲット室にＡｒガスとＯ_２ガスとを導入してプラズマを発生させ、Ａｌターゲット材に所定のバイアス電圧を印加することにより、第１の保護膜４０の上に第２保護膜４２として膜厚が約６０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜を堆積する。続いて、ＡｒガスとＮ_２ガスとを導入して第２の保護膜４２の上に第３の保護膜４４として膜厚が約６ｎｍのＡｌＮ膜を堆積する。続いて、ＡｒガスとＯ_２ガスとを導入して、第３の保護膜４４の上に最終保護膜である第４の保護膜４６として膜厚が約１００ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜を堆積する。なお、出射端面１００ａの反射率はＡｌ_２Ｏ_３膜の各膜厚によって制御でき、本実施形態においてはレーザ光に対する反射率を約１８％としている。なお、第４の保護膜４６には、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）を用いることができる。

次に、反射端面１００ｂに設ける反射膜について説明する。

反射端面１００ｂに前述のＥＣＲプラズマクリーニングを行った後、反射端面１００ｂと接する第１のリア保護膜５０として厚が約６ｎｍのＡｌＮ膜を堆積する。続いて、第２のリア保護膜５２として膜厚が約６０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜を堆積する。続いて、Ａｌターゲット材を交換して、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜５４及び二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）５６からなる７対の多層膜により構成される反射膜を形成する。第１の実施形態においては、ＳｉＯ_２膜とＺｒＯ_２膜とをこの順序で配し、各膜厚はレーザ光に対する反射率が９０％以上となるように調整している。

その後、一次劈開によって得られたレーザバーに対して二次劈開を行うことにより、個々のレーザチップを得る。

次に、レーザチップの実装工程について説明する。

すなわち、分割されたレーザチップは、半田材を介して窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるサブマウント及びステムに自動実装される。

続いて、電流供給用のＡｕワイヤをｐ側配線電極３４と、ｎ側電極３６と電気的に接続されているサブマウントの配線電極とにそれぞれ接続する。続いて、レーザチップと外気を遮断するために、レーザ光取出し用ガラス窓が設けられたキャップを高電界プレス機によりステムに融着する。

第１の実施形態により製造されたレーザ装置１を室温で通電したところ、閾値電流が３０ｍＡで連続（Continuous Wave：ＣＷ）発振し、スロープ効率は１．５Ｗ／Ａであり、発振波長は４０５ｎｍであった。また、高温且つ高出力条件（７５℃、１６０ｍＷ）で連続駆動によるエージング試験を実施したところ、１０００時間以上の安定動作が可能であった。

一方、出射端面１００ａにおける第３の保護膜４４の効果を検証するため、レーザ装置１において、第３の保護膜４４を設けない比較用のレーザ装置２を準備して、レーザ装置１と比較及び検討を行った。図３にレーザ装置２の断面構造を示す。レーザ装置２を室温にて通電したところ、初期特性はレーザ装置１と同等であったが、同一条件のエージング試験において、１０％程度の割合で１０００時間内に頓死するレーザ装置が出現した。

この現象を確認するために、レーザ装置１及びレーザ装置２において、エージング試験によるＣＯＤレベルの変化を調査した。具体的には、エージング試験前とエージング試験後（３００時間経過時点）のＣＯＤレベルを評価した。その評価結果を図４に示す。なお、ＣＯＤレベルはパルス駆動（５０％デューティ）による通電でレーザ発振が停止する最大光出力とした。図４からは、レーザ装置１のＣＯＤレベルは、エージング試験の前後で９２５ｍＷから７７０ｍＷ程度の低下に留まることが分かる。一方、比較用のレーザ装置２は、８４０ｍＷから５０５ｍＷ程度に低下し、レーザ装置１と比較して、エージング試験前の初期ＣＯＤレベルにはほとんど差異はないものの、エージング試験後のＣＯＤレベルの低下が大きいことは明らかである。

以下、レーザ装置１及びレーザ装置２の劣化品の分析に基づく、第３の保護膜４４の効果について詳述する。

（第１の実施形態の追加実験）
本発明のレーザ装置１及び比較用のレーザ装置２に対する３００時間のエージング試験を行った後の劣化品において、透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）を用いて、出射端面１００ａの劣化形態を検証した。なお、ＴＥＭ観察は、保護膜と共振器端と面を含むようにリッジストライプに平行な方向から行った。検証の結果、レーザ装置２においては、第１の保護膜４０であるＡｌＮ膜には変化がないが、その上の第２の保護膜４２であるＡｌ_２Ｏ_３膜において、活性層１６付近で結晶化が促進していることが判明した。これは、活性層１６付近では光密度が高く局所的な発熱量が多いため、ＥＣＲスパッタ法により堆積されたアモルファス状のＡｌ_２Ｏ_３膜が変質したものと推測される。

これに対し、第３の保護膜４４を導入した本発明のレーザ装置１においては、第２の保護膜４２であるＡｌ_２Ｏ_３膜の変質は確認できなかった。これは、アモルファス状のＡｌ_２Ｏ_３膜である第２の保護膜４２が高熱伝導性を有するＡｌＮ膜（第１の保護膜４０と第３の保護膜４４）によって挟まれているため、局所的な発熱が迅速に放熱されることに起因すると推測される。

さらに、出射端面１００ａの酸化程度については、オージェ（Auger Electron Spectroscopy：ＡＥＳ）分光法により比較して確認した。レーザ装置１及びレーザ装置２において、出射端面１００ａと第１の保護膜４０との間において、レーザ装置１の方が酸素量が低いことが判明した。これは、レーザ装置１においては、第３の保護膜４４としてＡｌＮ膜を設けていることから、以下の２点が推測される。
１）第２の保護膜４２であるＡｌ_２Ｏ_３膜の変質が抑制され、変質時の酸素の拡散が抑制される。
２）外気から第４の保護膜４６であるＡｌ_２Ｏ_３膜を介して拡散する酸素が第３の保護膜４４であるＡｌＮ膜により防止される。

以上の追加実験と信頼性結果とを考慮すると、共振器の出射端面１００ａと接する第１の保護膜４０以外に、Ａｌ_２Ｏ_３膜を介在させてＡｌＮ膜４４を形成することにより、出射端面１００ａの酸化による劣化が極めて端的に抑制されるため、ＧａＮ系半導体レーザ装置における高出力動作時の長期信頼性が大幅に改善されるので、歩留まり良くレーザ装置を製造することが可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図５は本発明の第２の実施形態に係るＧａＮ系半導体レーザ装置の共振器長方向に平行な方向の断面構成を模式的に示している。

図５に示すように、第２の実施形態の特徴として、第１の実施形態に係る半導体レーザ装置における出射端面１００ａの第４の保護膜４６の上に、第５の保護膜４８としてＡｌＮ膜を設けている。

具体的には、第４の保護膜４６における第３の保護膜４４と反対側の面上に、膜厚が約６ｎｍのＡｌＮからなる第５の保護膜４８を堆積している。

第２の実施形態により製造されたレーザ装置３を室温で通電したところ、連続（ＣＷ）発振に到り、その特性は第１の実施形態に係るレーザ装置１とほぼ同等であった。また、第１の実施形態と同様に、エージング試験の前後のＣＯＤレベルの変化を調査したところ、図４に示すように、９３０ｍＷから８４０ｍＷ程度の低下量であり、レーザ装置１よりもＣＯＤの低下量が小さく、レーザ装置１よりも顕著なＣＯＤの改善が確認できた。このレーザ装置１との差異は、レーザ装置３においては、出射端面１００ａの最終保護膜にＡｌＮ膜を用いていることから、以下の２点が推測される。
１）レーザ装置１は、最終保護膜であるＡｌ_２Ｏ_３からなる第４の保護膜４６において、外気と接する領域で放熱の悪化により変質が発生していたが、第４の保護膜４６の上に放熱性が高いＡｌＮ膜を配することにより、第４の保護膜４６の変質が抑制される。
２）外気から第４の保護膜４６であるＡｌ_２Ｏ_３膜を介して拡散する酸素が第５保護膜４８であるＡｌＮ膜により防止される。

以上の信頼性結果を考慮すると、出射端面１００ａと接する第１の保護膜４０以外に、Ａｌ_２Ｏ_３膜を介在させてＡｌＮ膜４４を形成し、且つ外気と接する最終保護膜にもＡｌ_２Ｏ_３膜を介在させてＡｌＮ膜４８を形成することにより、出射端面１００ａの酸化による劣化が極めて端的に抑制されるため、ＧａＮ系半導体レーザ装置における高出力動作時の長期信頼性が大幅に改善されるので、歩留まり良くレーザ装置を製造することが可能となる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置について図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の第３の実施形態に係るＧａＮ系半導体レーザ装置の共振器長方向に平行な方向の断面構成を模式的に示している。

図６に示すように、第３の実施形態の特徴として、出射端面１００ａと接する第１保護膜４０をＡｌＮ膜とし、該ＡｌＮ膜の上にＡｌ_２Ｏ_３膜とＡｌＮ膜とによって構成される周期層６０を堆積している。

具体的には、第１の実施形態と同様に、ＥＣＲスパッタ法により、出射端面１００ａの上に第１の保護膜４０として膜厚が約６ｎｍのＡｌＮ膜を堆積する。続いて、第１の保護膜４０の上に、膜厚が約１０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜と膜厚が約６ｎｍのＡｌＮ膜との対で構成される複数対の周期層６０を反射率が約１８％となるように堆積する。

第３の実施形態により製造されたレーザ装置４を室温で通電したところ、連続（ＣＷ）発振に到り、その特性は第１の実施形態に係るレーザ装置１とほぼ同等であった。また、第１の実施形態と同様に、エージング試験の前後のＣＯＤレベルの変化を調査したところ、レーザ装置３と同様のＣＯＤ結果となり、レーザ装置１よりも顕著なＣＯＤの改善が確認できた。

これは、端面保護膜として、Ａｌ_２Ｏ_３膜の間に複数のＡｌＮ膜を周期的に配することにより、端面保護膜の全体の放熱性が向上したこと、また、それぞれの膜厚が６ｎｍ程度の複数のＡｌＮ薄膜を用いることにより、同程度の膜厚を持つＡｌＮ単膜よりも出射端面１００ａに掛かる応力が軽減するため、出射端面１００ａからの端面保護膜の膜剥がれが抑制できたことによると推測される。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置について説明する。

第４の実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態において、出射端面１００ａの第２の保護膜４２にＡｌ_２Ｏ_３膜を用いる代わりに、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）膜を用いることを特徴とする。

具体的には、第２の保護膜４２をＡｌＯＮ膜とするには、ＥＣＲ装置において、Ａｌターゲット材を装着したターゲット室に、Ａｒガス、Ｎ_２ガスと共に酸素（Ｏ_２）ガスを導入することにより堆積することができる。Ａｌ_２Ｏ_３膜と比較して、ＡｌＯＮ膜は熱伝導が高く、且つ結晶化温度も高く熱的に安定である。このため、各実施形態に係るレーザ装置は、エージング試験後のＣＯＤレベルが約１０％〜２０％程度改善される傾向にあることが確認できた。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置について説明する。

第５の実施形態は、第１の実施形態から第３の実施形態において、出射端面１００ａの第２の保護膜４２にＡｌ_２Ｏ_３膜を用いる代わりに、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜を用いることを特徴とする。

ＳｉＯ_２膜又はＳｉＯＮ膜は、Ａｌ_２Ｏ_３膜と比較して熱伝導性には劣るものの、結晶化温度が高く熱的に安定である。このため、各実施形態におけるレーザ装置は、エージング試験後のＣＯＤレベルが約５％〜１５％程度改善される傾向にあることが確認できた。

（第６の実施形態）
以下、本発明の第６の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置について説明する。

第６の実施形態は、第１の実施形態における出射端面１００ａの第１の保護膜４０を構成するＡｌＮ膜中のシリコン（Ｓｉ）の濃度を第３の保護膜４４を構成するＡｌＮ膜よりも高くすることを特徴とする。

第１の保護膜４０であるＡｌＮ膜中のＳｉ濃度を高くするには、ＥＣＲ装置によりＡｌＮ膜を堆積する際に、ＥＣＲガス中にシリコン（Ｓｉ）を含むガス、例えばシラン（ＳｉＨ_４）ガス等を導入して微量のＳｉを添加する。

第６の実施形態により製造されたレーザ装置５を室温で通電したところ、連続（ＣＷ）発振に到り、その特性は第１の実施形態に係るレーザ装置１とほぼ同等であった。また、第１の実施形態と同様に、エージング試験の前後のＣＯＤレベル変化を調査したところ、９２５ｍＷから７９５ｍＷ程度の低下に留まり、レーザ装置１よりもＣＯＤレベルの改善が確認できた。

これは、出射端面１００ａと接する第１の保護膜４０であるＡｌＮ膜中にＳｉを導入し、さらにＳｉ濃度を高めることにより、ＡｌＮ膜と出射端面１００ａとの結合性が増して共有結合的となることにより、エージング負荷による端面保護膜の膜剥がれが抑制されたことによると推測される。

なお、第１の保護膜であるＡｌＮ膜第６の実施形態に係るＳｉの濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３〜３×１０^２０ｃｍ^−３程度が好ましい。

また、第６の実施形態において、第１の保護膜４０にＳｉを導入する方法として、微量のＳｉを含有するガスをＥＣＲスパッタ中に導入する方法について述べたが、出射端面１００ａに端面保護膜を堆積する直前の前処理でＳｉを導入する方法、又は積層構造体１００におけるｎ型半導体層に導入するＳｉ濃度を高くする方法であってもよく、この場合でも、同様な効果を得ることができる。

また、第６の実施形態に係る効果は、第１の実施形態の構成に限られず、他の実施形態の構成においても同様に効果がある。

本発明に係る窒化物半導体レーザ装置は、高出力動作時における長期信頼性が大幅に改善することができ、共振器端面に保護膜を設けた窒化物半導体レーザ装置等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の共振器端面に平行な方向における構成断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の共振器長方向に平行な方向における模式的な構成断面図である。 比較用の窒化物半導体レーザ装置であって、共振器長方向に平行な方向における模式的な構成断面図である。 本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置におけるエージング試験前とエージング試験後のＣＯＤレベルを比較用の窒化物半導体レーザ装置と共に評価した結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の共振器長方向に平行な方向における模式的な構成断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る窒化物半導体レーザ装置の共振器長方向に平行な方向における模式的な構成断面図である。

符号の説明

１０ ｎ型基板
１２ ｎ型クラッド層
１４ 光ガイド層
１６ 多重量子井戸活性層（発光層）
１８ 中間層
２０ キャップ層
２２ ｐ型クラッド層
２４ コンタクト層
３０ 絶縁膜
３２ ｐ側コンタクト電極
３４ ｐ側配線電極
３６ ｎ側電極
４０ 第１の保護膜
４２ 第２の保護膜
４４ 第３の保護膜
４６ 第４の保護膜
４８ 第５の保護膜
５０ 第１のリア保護膜
５２ 第２のリア保護膜
５４ ＳｉＯ_２膜
５６ ＺｒＯ_２膜
６０ 周期層
１００ 積層構造体
１００ａ 出射端面
１００ｂ 反射端面

Claims (6)

1. 発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面を有する積層構造体と、
   前記共振器端面に形成された誘電体からなる複数の保護膜とを備え、
   前記複数の保護膜のうち、前記共振器端面と接する第１の保護膜は、窒化アルミニウムからなり、
   前記第１の保護膜における前記共振器端面と反対側の面上に形成された第２の保護膜は、前記第１の保護膜と異なる材料からなり、
   前記第２の保護膜における前記第１の保護膜と反対側の面上に形成された第３の保護膜は、前記第１の保護膜と同一の材料からなることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。
2. 前記第１の保護膜及び第３の保護膜はシリコンを含み、
   前記第１の保護膜のシリコンの濃度は、前記第３の保護膜のシリコンの濃度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体レーザ装置。
3. 前記複数の保護膜は、前記第３の保護膜における前記第２の保護膜と反対側の面上に形成された第４の保護膜を有し、
   前記第４の保護膜は、アルミニウムの酸化物又は酸窒化物からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体レーザ装置。
4. 前記複数の保護膜は、前記第４の保護膜における前記第３の保護膜と反対側の面上に形成された第５の保護膜を有し、
   前記第５の保護膜は、前記第１の保護膜と同一の材料からなることを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体レーザ装置。
5. 前記第２の保護膜は、アルミニウムの酸化物若しくは酸窒化物又はシリコンの酸化物若しくは酸窒化物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ装置。
6. 発光層を含む複数の窒化物半導体層からなり、互いに対向する共振器端面を有する積層構造体と、
   前記共振器端面に形成された誘電体からなる３層以上の保護膜とを備え、
   前記複数の保護膜のうち、前記共振器端面と接する第１の保護膜と、外気と触れる外側の第２の保護膜とは、窒化アルミニウムからなることを特徴とする窒化物半導体レーザ装置。

Images